量子通信：安全“無懈可擊”
現代通信技術在給人們帶來便利的同時，也在不斷制造著安全、隱私等方面的麻煩。前者如今年的“雙十一”、“雙十二”網購盛宴，后者則類似仍在發酵的“棱鏡門”事件——國外媒體12月21日報道，美國國家安全局曾與企業合謀，要求在移動終端廣泛使用的加密技術中放置后門，以便輕易破解各種加密數據。
如今，通信技術的安全性問題不僅使每個國家如臨大敵，也讓公眾產生隱憂。難道人類在信息時代的網絡通信中，只能靠犧牲安全和“私人空間”來換取盡可能的便利？在科學家看來，事實并非如此悲觀。
科學家們把希望寄托在日趨完善的量子通信技術上，認為它是一項可以做到絕對安全的技術。這項技術將提供一種可能：只要在現有網絡上安裝一個小裝置，人們的通信安全將變得“無懈可擊”。
這就是量子通信技術的神奇之處。
超時空穿越
量子通信屬于隱形傳輸技術，它與人類歷史上此前已有的通信技術存在著本質性的差異
從古代鴻雁傳書，到近代電報、電匯的出現，再到現代電話、互聯網盛行，量子通信與人類歷史上此前已有的通信技術存在著本質性的差異：此前所有的通信方式均需要呈現清晰的明文，而量子通信則屬于隱形傳輸技術。
量子隱形傳輸如同科幻小說中描繪的“超時空穿越”。量子在一個地方神秘消失，又在另一個地方瞬間出現。物理學家愛因斯坦、薛定諤等都曾為量子態的隱形傳輸現象而癡迷、爭論。
中國科學院院士薛其坤曾在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“物質世界微觀到一定尺度時，將不再是經典牛頓力學的世界，而是量子力學世界。在這個世界里，物質的性質不再確定，其變化規律也發生了改變。”
量子是指光子等不可再分的最小單元。量子隱形傳輸，即利用量子糾纏原理和技術，借助網絡等信道，傳輸量子態攜帶的量子信息。1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。同年，6位來自不同國家的科學家提出可實現量子隱形傳輸的方案。該方案用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，由此原則上實現了不可破譯的量子通信。
中科院院士郭光燦向《中國科學報》記者描述，如今只需要一個量子密鑰，就能把所傳遞的信息內容完全無序化，也就是說，在現有光纖通信的線路上，僅需加裝一個量子裝置，就能實現光纖網絡上所有傳遞信息的保密。“如果用量子技術在QQ上與朋友聊天，就能實現內容保密，無法被竊聽。”
郭光燦進一步解釋說，量子信息技術在建立密鑰時，除初始身份認證外并不需要事先共享密碼本，而是與需要通信的對方建立一個協議。通過協議，使用量子的性質傳遞信息。
量子通信裝置將一個個光子通過光纖或者自由空間送達給對方，每一個光子隨機加載0或1。光子傳給對方后，經過探測和變化，還原為二進制隨機數0或1。接收方將收到的隨機數組成序列，經過協議處理后產生一個隨機密鑰。量子通信的量子特性保證了密鑰收發的安全性。其實時收發、動態加載的特性還降低了對密鑰存儲和管理的要求，減少了密鑰泄露的可能性。而試圖獲取信息的人必須擁有相同的密鑰，才能對加密后的信息進行解讀。
由“跟隨者”到“排頭兵”
量子通信技術目前仍處于實驗室完善階段，尚無應用進入公眾視野
量子密碼也被視為是向“絕對安全”的回歸。目前，世界各國已紛紛將量子通信納入其國防科技發展戰略之中。
據了解，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在研究量子局域網的密碼體系和自由空間量子密碼；歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究；日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。中國自然不甘落后，有多個實驗室對此開展研究，并取得可喜進展。
然而，量子通信技術目前仍處于實驗室完善階段，雖然競爭日趨白熱化，卻仍無應用進入公眾視野。
1997年，奧地利蔡林格小組首次在實驗室完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證，2004年該小組利用多瑙河河底光纖信道，成功地將量子態隱形傳輸距離提高到600米。
2003年，韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案，徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。
值得自豪的是，在量子世界，中國科學家不僅從技術研究的跟隨者快速進步為并行者，而且在量子信息發展的諸多節點成為國際上的排頭兵。
2001年，一次契機促使郭光燦致信時任中國科學院院長路甬祥。
在信中，郭光燦向路甬祥詳細介紹了這一前沿科技的廣闊前景。不久后，郭光燦獲得了中國科學院5萬元經費支持，中國科技大學量子信息實驗室得以成立。當年，郭光燦成功申請了國家“973”計劃項目，并擔綱首席科學家。
在郭光燦的領導下，實驗室研究人員對量子保密通信技術進行了多方面的深入探究，并取得了一系列影響該領域發展的理論和應用成果。該實驗室先后提出“量子避錯編碼原理”、“量子概率克隆原理”等理論，并研制成功國內首個光纖量子密鑰系統，實現了260公里相位編碼量子分發系統，建成了世界首個量子政務網絡……
2012年9月，《自然》雜志報道：奧地利、加拿大、德國和挪威研究人員合作，將一個光子的物理特性通過量子態隱形傳輸發送到另一處的一個粒子，實現了位于拉帕爾馬卡普坦望遠鏡與歐洲空間局特內里費島光學觀測站之間長達143公里的“隱形傳輸”。
促使這一新的世界紀錄誕生的科學家們由此興奮地宣稱，他們將在地面觀測站與地球軌道衛星之間建立一次量子態隱形傳輸的實驗，以驗證實現全球范圍內量子通信的可能性。
瓜熟待蒂落
量子通信在中國起步雖稍晚，但卻表現出了良好發展勢頭
從中科院量子信息重點實驗室走出來的趙義博目前在安徽蕪湖高新區創業，其公司從事的業務即與量子通信有關。
趙義博告訴《中國科學報》記者，2002年，該實驗室在中國科學技術大學東西校區之間往返6.4公里的光纖上實現了國內首次光纖量子密鑰分配，演示了量子密碼的基本原理。當量子密碼系統從實驗室推廣到實用場合時，實際環境破壞了系統的穩定性，使之無法正常運行。這個問題曾困擾著實驗室研究人員，也困擾著國際學術界。
但沒過多久，相關科研團隊就發明了“法拉第—邁克爾遜”干涉儀結構，可以自適應補償光纖信道中的偏振干擾，在國際上首次解決了長距離單向量子密鑰分配過程的穩定性問題。
利用這一干涉儀結構，2004年，郭光燦團隊實現了從北京望京經過河北香河到天津寶坻的量子密鑰分配。其實際商用光纜長度125公里，成為當時國際公開報道的最長距離實用光纖量子密碼系統。
“在光纖網絡上實現量子保密通信的最大難點是，現有光纖路由器無法做到量子信息不被破壞又能自動實現光子的尋址。”趙義博回憶說。
2007年，趙義博所在實驗室利用自主創新的量子路由器，在北京網通公司商用通信網絡上完成四用戶量子密碼通信網絡的測試運行。這個網絡是世界第二個、中國第一個現場運行的量子保密通信網絡。
業內專家認為，這一系統在商用光纖網絡上可以長期穩定運行，性能優于現有的其他量子密碼網絡方案。在目前的技術條件下，能用它擴建成擁有數百個用戶的量子密碼通信網絡。這標志著量子通信技術從點對點方式向網絡化邁出了關鍵性的一步，為量子因特網的發展奠定了基礎。
2009年，郭光燦帶領的團隊在安徽省蕪湖市建成世界上第一個“量子政務網”并投入了試運行。該網絡融合了國際上現有的三種主流組網技術，首次設計出具有多層次、旨在滿足不同用戶需求的多功能量子通信網絡。
近年來，從諸多量子信息研究成果看，量子通信在中國起步雖稍晚，但卻表現出了良好發展勢頭。或許無需多日，中國人就能享受到私人量子保密通信服務。
京公網安備 11010502049343號